億欣煤業15#煤綜采工作面地表巖移觀測站的設計

呼亮亮

(山西晉煤集團晉圣礦業投資有限公司,山西 晉城 048000)

煤炭資源的大量開采所造成的地表沉陷和采動損害日益突出。煤礦開采造成的沉陷不僅破壞礦井生態環境,還對地表植被、村莊及其建(構)筑物造成嚴重損害,同時給煤炭企業帶來巨大的經濟賠償負擔。為了最大限度地提高煤炭資源回收率、保護地表植被、村莊及其建(構)筑物不受礦井開采的損害,研究地表移動規律意義重大[1-3]。

為了獲得山西晉煤集團晉圣億欣煤業有限公司(以下簡稱億欣煤業)15#煤層可靠的地表移動參數及本礦井采礦地質條件下的地表移動規律,億欣煤業有限公司決定以XV1310回采工作面為例建立地表移動觀測站,開展對本工作面地表移動情況的觀測和研究工作。

1 礦井概況

億欣煤業批準開采215號煤層,開采標高為1 530 m～640 m,生產規模120萬t/a,礦區面積31.516 7 km2。XV1310工作面為15#煤層一盤區,工作面標高914 m～1 003 m。走向長度為1 260 m,傾向長度為200 m。該回采工作面采用一次采全高、后退式傾斜長壁綜合機械化采煤方法。

2 地表巖移觀測站的設計

地表巖移觀測站是煤礦工作面回采之前,在工作面對應地表的地物地貌上按照規范要求布設的相互聯系的觀測點。在回采過程中,按照要求周期性的對布設的觀測點進行觀測,以獲得觀測點平面、高程位置及其相互位置變化數據,從而確定工作面回采過程中的地表及巖層移動規律。

2.1 布設形式

礦區大多數采用剖面線狀觀測站,走向觀測線和傾斜觀測線。回采工作面頂板在充分垮落的情況下,觀測線可設置在移動盆地的平底部分;非充分垮落的情況下,在移動盆地的主斷面上設置觀測線。觀測線兩端長度應保證超出采動影響范圍,以便觀測線控制點的建立和采動影響邊緣的測定。采動影響范圍內的工作測點應保證其在采動過程中與地表一起移動,從而反映地表的移動狀態。

本觀測站采用剖面線狀地表移動觀測站。設計在地表移動盆地的主斷面上布設一條傾斜觀測線AB和一條走向觀測線CF,走向觀測線CF和傾斜觀測線AB互相垂直。

2.2 參數選取

設計地表移動觀測站的參數有:工作面的傾斜長度L1、工作面的走向長度L3、下山移動角、上山移動角、松散層移動角、走向移動角、最大下沉角、回采工作面的平均開采深度H等。參數選取根據工作面地質采礦條件及上覆巖層的巖性等因素確定。

由于億欣煤業未設置過地表移動觀測站,因此沒有本礦井開采引起的巖層及地表移動的觀測資料。結合本區域其它礦井的參數以及《三下采煤規程》,設計參數如下:δ=β=γ=65°,φ=45°,Ψ3=60°,θ=90°-0.6α。其中,φ、δ、β、γ、α、Ψ3、θ分別表示松散層移動角、走向移動角、上山移動角、下山移動角、煤層傾角、走向充分采動角、最大下沉角。

2.3 觀測線位置確定

剖面線狀觀測站的設計示意圖見圖1,在圖1中設計了2條觀測線,AB線和CD線,其中AB線為走向線,CD線為傾向線。該觀測線設計要點為:

1)為了讓Q觀測線位于充分采動區內,CF的長度需要大于0.7倍開采深度,其中C點開采深度為300 m,F點開采深度為170 m,取其中間值,平均開采深度約為235 m,CF的長度應大于165 m。

2)為了避免XV1308老采空區殘余沉降對AB觀測線的影響,B點不宜進入XV1309工作面內。

3)AE和FD之長由移動角和開采深度計算而得。BE長度為工作面傾斜寬度200 m,CF之長由地形條件確定。

圖1 地表移動觀測站設計示意圖Fig.1 Design diagram of surface movement observation station

傾斜觀測為AB線,根據實地勘察,CF的長度設置為362 m(大于165 m),即傾向觀測線位置距停采線的距離為362 m,該線位于走向充分采動影響區上,滿足設計要求。

走向AB觀測線必須在走向主斷面上,在傾斜主斷面上按照最大下沉角θ畫線與地表相交,通過相交點作出與煤層走向平行的垂直斷面,該斷面位置即為走向觀測線的位置。假設工作面采空區中心位置向下山方向偏出的距離為d,則

d=Hctgθ.

式中:H為回采工作面的平均開采深度,m;θ為最大下沉角,°。

由于本礦沒有以往的地表移動觀測資料,在計算時可用以下經驗公式計算:

θ=90°-0.6α.

式中:α為煤層傾角,°。本區域煤層為近水平煤層,煤層傾角較小。

根據本測區特點,在本工作面上方地表布置半條走向觀測線，走向觀測線CD距下山邊界99 m,位于工作面南北中心線附近。

2.4 觀測線長度確定

根據《煤礦測量規程》[4]第257條規定,傾斜觀測線長度調整值δ、γ為20°。傾向觀測線AB的長度計算公式如下:

AB=AE+EB .

AE=hcotφ+Hcot(γ-Δγ) .

式中:h為松散層厚度,取25 m;φ為松散層移動角，取45°;γ為下山移動角,取65°;Δγ為上山移動角的修正值，取20°;H為采區下邊界的基巖面到煤層的距離，取275 m。

經過計算AE為300 m,EB為工作面傾斜寬度200 m,故AB線設計長度為500 m,現場勘察布點后,AB線(Q觀測線)的實際長度為522 m。

走向觀測線長度調整值取Δδ為20°,走向觀測線CD的長度計算公式如下:

CD=DF+FC .

DF=hcotφ+Hcot(δ-Δδ) .

式中:h為松散層厚度,取25 m;φ為松散層移動角，取45°;δ為走向移動角,取65°;Δδ為走向移動角的修正值,取20°;H為采區下邊界的基巖面到煤層的距離，取150 m。

經過計算DF為175 m,CF為362 m,故CD線設計長度為537 m。現場勘察布點后,CD線(Z觀測線)的實際長度為560 m。

2.5 觀測點數量和密度

工作面的開采深度和觀測站的設計目的決定了觀測線上的測點數量和密度。觀測點布設在移動盆地范圍內的觀測線上,以移動盆地的中心開始向移動邊界的兩邊布置。為獲取可靠的地表移動數據,觀測點必須牢牢固定在表土層里,保證觀測點與表土層一起移動。為了以基本相同的精度得出移動變形值及其規律,觀測點還需按照一定密度等間距布設，本觀測站測點密度如表1所示。由于本觀測站使用RTK觀測,控制點為測線不受影響的2個端點,其余控制點位于礦區的穩定區域,沿用礦區已有控制點。

表1 測點密度Table 1 Density of measure points

根據《煤礦測量規程》規定,本次觀測站測點間距取20 m。觀測線上觀測點和控制點的數量由觀測線的長度決定,其余控制點為礦區近井點。

3 觀測站的設置

在地表移動觀測站設計圖(圖1)上,按照設定的觀測點間距,充分應用煤礦布設的近井點來確定走向、傾向觀測線上各個觀測點的平面、高程位置,并對各觀測點編號管理。本次地表觀測站的觀測點和控制點采用長60 cm,頂面積為10 cm×10 cm,底面積為20 cm×20 cm的帶鋼筋的梯形混凝土樁埋設。

制作混凝土樁時在其頂端內嵌入直徑1 cm、長10 cm ～20 cm的鋼筋,頂部露出混凝土樁頂端1 cm,鋼筋頂部的十字絲作為觀測點的中心。

在標定位置開挖一個深0.6 m、直徑0.3 m的土坑,將制作好的標志樁統一埋設。混凝土標志樁出露地表10 cm,然后用混凝土固定,并注明每個樁的點號。

觀測點及控制點的構造見圖2,測區地形見圖3。

圖2 觀測點及控制點構造圖Fig.2 Structure chart of observation points and control points

圖3 測區地形Fig.3 Topography of observation areas

4 測點觀測

觀測標志樁固定后應在觀測站控制點與礦井近井點之間開展獨立的兩次連接測量,確定回采工作面與觀測站相互之間的位置關系及本次布設的控制點、觀測線上測點的平面坐標高程,并確保觀測站和礦井近井點使用的坐標系統和高程基準一致。本次控制點采用GPS測量D級,點位誤差小于7 mm。完成連接測量后還需進行兩次全面觀測,時間間隔不可大于5d。全面觀測包括對各觀測點平面坐標和高程、點間距、偏離觀測線方向距離的測量以及地表破壞情況的記錄。

兩次獨立全面觀測測出的同一點高程差值不可大于10 mm,偏離觀測線方向距離不可大于30 mm,相同兩點之間的點間距差值不可大于4 mm,若精度符合要求則取平均值為觀測點的原始數據。在工作面回采過程中應在根據回采工作面的推進速度、開采深度及頂板巖性等條件增加全面觀測次數,每次觀測還要測量回采工作面的推進位置、采高和煤層厚度,并對水文地質條件、地質資料進行記錄[5-6]。

5 結束語

經過對XV1310工作面地表巖移觀測站的觀測,獲取了觀測各期的下沉、水平移動、傾斜、曲率、水平變形值等數據,通過數據分析獲得XV1310工作面開采過程中的動態沉陷規律、詳細的地表移動時間過程及15#煤層巖層移動參數,為今后礦井留設高速公路、鐵路、高壓電塔等保安煤柱及村莊搬遷賠償工作提供科學依據,同時可解放“三下”壓煤,提高礦井資源回收率,提高經濟效益,保證了礦井的可持續發展。